多晶Ti1–xMxO2–δ（M=Fe，Cr）薄膜的结构、光学和磁学性质

论文摘要

宽禁带半导体TiO2在光学薄膜、光催化剂和稀磁半导体等领域都具有广泛的应用前景。过渡族金属掺杂能够有效地改善TiO2的微观结构和性能,是近年来凝聚态物理和材料科学领域的研究热点之一。本论文采用对向靶直流反应磁控溅射法制备了锐钛矿相和混合相多晶Ti1–xMxO2–δ （M=Fe, Cr）系列薄膜样品,对它们的化学成份、微观结构、光学和磁学性质进行了系统研究。在Fe和Cr掺杂锐钛矿相TiO2薄膜中,Fe和Cr元素的化合价态均为+3价;在Fe掺杂混合相TiO2中,出现了少量的Fe2+离子。薄膜中均没有出现Fe和Cr的金属团簇和氧化物等杂相。在锐钛矿Ti1–xFexO2–δ薄膜中,当Fe含量较低时,掺杂促进薄膜的结晶;过量的Fe的掺入使得锐钛矿相TiO2的晶格畸变增大,破坏了薄膜的晶体结构。Cr掺杂后薄膜的锐钛矿相晶体结构保持较好。未掺杂混合相TiO2薄膜为金红石和锐钛矿两相共存结构,以金红石相为主;Fe和Cr掺杂促进了薄膜中锐钛矿相向金红石相的转变。随着Fe和Cr含量的增加,锐钛矿和混合相多晶TiO2薄膜的吸收边均出现明显的红移现象;未掺杂锐钛矿相的直接和间接光学带隙分别为3.73和3.39 eV,光学带隙随Fe和Cr含量的增加不断减小。Fe掺杂锐钛矿相TiO2的光致发光谱证实了薄膜存在直接和间接两种跃迁;带间间接跃迁辐射复合发光为单光子和多声子复合发光的过程;随Fe含量的增加,直接和间接跃迁复合发光峰峰位不断向低能方向移动,氧空位发光峰峰位并不移动,但其发光强度相对增强。Fe掺杂锐钛矿相TiO2薄膜的折射率（550 nm）随Fe含量的增加而增大。Fe和Cr掺杂锐钛矿和混合相TiO2薄膜均具有室温铁磁性,并且居里温度高于室温;Fe掺杂锐钛矿相TiO2的饱和磁化强度随Fe含量的增加先增大后不断减小,薄膜的饱和磁化强度与氧空位的数目有关,F–center模型能够解释薄膜铁磁性的起源;Fe和Cr掺杂混合相TiO2薄膜的饱和磁化强度比锐钛矿相大,可能与混合相TiO2薄膜存在更多的缺陷有关。

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ABSTRACT

第一章前言

2的结构'>1.1 TiO₂的结构

2 的光催化性能'>1.2 TiO₂的光催化性能

2的光催化机理'>1.2.1 TiO₂的光催化机理

2 光催化性能的影响'>1.2.2 掺杂对TiO₂光催化性能的影响

1.3 稀磁半导体

1.3.1 实验研究进展

1.3.2 理论计算结果

1.3.3 铁磁性理论

1.4 存在的问题

1.5 本论文工作

第二章样品制备、结构表征与物性测量

1–xM_xO_2–δ（M=Fe, Cr）薄膜的制备'>2.1 多晶Ti_1–xM_xO_2–δ（M=Fe, Cr）薄膜的制备

2.1.1 对向靶直流磁控溅射原理

2.1.2 样品的制备过程

2.2 薄膜的结构表征和物性测量

2.2.1 表面形貌和薄膜厚度测量

2.2.2 成份分析和结构表征

2.2.3 光学性质测量

2.2.4 磁学性质测量

1–xM_xO_2–δ（M=Fe, Cr）薄膜的结构'>第三章多晶Ti_1–xM_xO_2–δ（M=Fe, Cr）薄膜的结构

1–xM_xO_2–δ（M=Fe, Cr）薄膜的结构'>3.1 锐钛矿Ti_1–xM_xO_2–δ（M=Fe, Cr）薄膜的结构

1–xM_xO_2–δ（M=Fe, Cr）薄膜的成份和价态'>3.1.1 锐钛矿Ti_1–xM_xO_2–δ（M=Fe, Cr）薄膜的成份和价态

1–xM_xO_2–δ（M=Fe, Cr）薄膜的微观结构'>3.1.2 锐钛矿Ti_1–xM_xO_2–δ（M=Fe, Cr）薄膜的微观结构

1–xFe_xO_2–δ薄膜的表面形貌'>3.1.3 锐钛矿Ti_1–xFe_xO_2–δ薄膜的表面形貌

1–xM_xO_2–δ（M=Fe, Cr）薄膜的结构'>3.2 混合相Ti_1–xM_xO_2–δ（M=Fe, Cr）薄膜的结构

1–xM_xO_2–δ（M=Fe, Cr）薄膜的成份和价态'>3.2.1 混合相Ti_1–xM_xO_2–δ（M=Fe, Cr）薄膜的成份和价态

1–xM_xO_2–δ（M=Fe, Cr）薄膜的微观结构'>3.2.2 混合相Ti_1–xM_xO_2–δ（M=Fe, Cr）薄膜的微观结构

3.3 本章小结

1–xM_xO_2–δ（M=Fe, Cr）薄膜的光学和磁学性质'>第四章多晶Ti_1–xM_xO_2–δ（M=Fe, Cr）薄膜的光学和磁学性质

1–xM_xO_2–δ（M=Fe, Cr）薄膜的光学性质'>4.1 多晶Ti_1–xM_xO_2–δ（M=Fe, Cr）薄膜的光学性质

1–xM_xO_2–δ（M=Fe, Cr）薄膜的透射光谱'>4.1.1 多晶Ti_1–xM_xO_2–δ（M=Fe, Cr）薄膜的透射光谱

1–xM_xO_2–δ（M=Fe, Cr）薄膜的光学带隙'>4.1.2 多晶Ti_1–xM_xO_2–δ（M=Fe, Cr）薄膜的光学带隙

1–xFe_xO_2–δ薄膜的光致发光谱'>4.1.3 锐钛矿Ti_1–xFe_xO_2–δ薄膜的光致发光谱

1–xFe_xO_2–δ薄膜的光学常数'>4.1.4 锐钛矿Ti_1–xFe_xO_2–δ薄膜的光学常数

1–xM_xO_2–δ（M=Fe, Cr）薄膜的磁学性质'>4.2 多晶Ti_1–xM_xO_2–δ（M=Fe, Cr）薄膜的磁学性质

4.3 本章小结

第五章结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢

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